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Presión sonora

La presión sonora o presión acústica es la desviación de la presión local respecto de la presión atmosférica ambiental (promedio o de equilibrio) , causada por una onda sonora . En el aire, la presión sonora se puede medir utilizando un micrófono y en el agua con un hidrófono . La unidad del SI de presión sonora es el pascal (Pa). [1]

Definición matemática

Diagrama de presión sonora:
  1. Silencio
  2. Sonido audible
  3. Presión atmosférica
  4. Presión sonora

Una onda sonora en un medio de transmisión provoca una desviación (presión sonora, una presión dinámica ) en la presión ambiental local, una presión estática .

La presión sonora, denotada p , se define por donde

Mediciones de sonido

Intensidad del sonido

En una onda sonora, la variable complementaria a la presión sonora es la velocidad de la partícula . Juntas, determinan la intensidad sonora de la onda.

La intensidad del sonido , denotada por I y medida en W · m −2 en unidades del SI, se define por donde

Impedancia acústica

La impedancia acústica , denotada por Z y medida en Pa·m −3 ·s en unidades SI, se define por [2] donde

La impedancia acústica específica , denotada por z y medida en Pa·m −1 ·s en unidades del SI, se define por [2] donde

Desplazamiento de partículas

El desplazamiento de partículas de una onda sinusoidal progresiva está dado por donde

De ello se deduce que la velocidad de la partícula y la presión del sonido a lo largo de la dirección de propagación de la onda sonora x están dadas por donde

Tomando las transformadas de Laplace de v y p con respecto al tiempo se obtiene

Dado que , la amplitud de la impedancia acústica específica viene dada por

En consecuencia, la amplitud del desplazamiento de partículas está relacionada con la de la velocidad acústica y la presión del sonido mediante

Ley inversamente proporcional

Al medir la presión sonora creada por una fuente de sonido, es importante medir también la distancia desde el objeto, ya que la presión sonora de una onda sonora esférica disminuye como 1/ r desde el centro de la esfera (y no como 1/ r 2 , como la intensidad del sonido): [3]

Esta relación es una ley inversamente proporcional .

Si se mide la presión sonora p 1 a una distancia r 1 del centro de la esfera, se puede calcular la presión sonora p 2 en otra posición r 2 :

La ley inversamente proporcional para la presión sonora proviene de la ley del inverso del cuadrado para la intensidad del sonido: De hecho, donde

De ahí la ley inversamente proporcional:

Nivel de presión sonora

El nivel de presión sonora ( SPL ) o nivel de presión acústica ( APL ) es una medida logarítmica de la presión efectiva de un sonido en relación con un valor de referencia.

El nivel de presión sonora, denotado L p y medido en dB , [4] se define por: [5] donde

La presión sonora de referencia comúnmente utilizada en el aire es [7]

p0 = 20 μPa,

que a menudo se considera como el umbral de la audición humana (aproximadamente el sonido de un mosquito volando a 3 m de distancia). Las notaciones adecuadas para el nivel de presión sonora utilizando esta referencia son L p /(20 μPa) o L p (re 20 μPa) , pero las notaciones de sufijo dB SPL , dB(SPL) , dBSPL o dB SPL son muy comunes, incluso si no son aceptadas por el SI. [8]

La mayoría de las mediciones de nivel de sonido se realizarán en relación con esta referencia, lo que significa que 1 Pa equivaldrá a un SPL de 94 dB . En otros medios, como bajo el agua , se utiliza un nivel de referencia de 1 μPa . [9] Estas referencias se definen en ANSI S1.1-2013 . [10]

El principal instrumento para medir los niveles de sonido en el ambiente es el sonómetro . La mayoría de los sonómetros proporcionan lecturas en decibelios ponderados A, C y Z y deben cumplir con estándares internacionales como IEC 61672-2013 .

Ejemplos

El límite inferior de audibilidad se define como un nivel de presión sonora de 0 dB , pero el límite superior no está tan claramente definido. Si bien 1 atm ( pico de 194 dB o nivel de presión sonora de 191 dB ) [11] [12] es la variación de presión más grande que una onda sonora no distorsionada puede tener en la atmósfera de la Tierra (es decir, si no se tienen en cuenta las propiedades termodinámicas del aire; en realidad, las ondas sonoras se vuelven progresivamente no lineales a partir de 150 dB), pueden estar presentes ondas sonoras más grandes en otras atmósferas u otros medios, como bajo el agua o a través de la Tierra. [13]

Contorno de sonoridad igual , que muestra la presión sonora frente a la frecuencia en diferentes niveles de sonoridad percibida

Los oídos detectan los cambios en la presión sonora. La audición humana no tiene una sensibilidad espectral plana ( respuesta de frecuencia ) en relación con la frecuencia frente a la amplitud . Los seres humanos no perciben los sonidos de baja y alta frecuencia tan bien como perciben los sonidos entre 3000 y 4000 Hz, como se muestra en el contorno de igual volumen . Debido a que la respuesta de frecuencia de la audición humana cambia con la amplitud, se han establecido tres ponderaciones para medir la presión sonora: A, B y C.

Para distinguir las diferentes medidas de sonido, se utiliza un sufijo: el nivel de presión sonora ponderado A se escribe como dB A o L A . El nivel de presión sonora ponderado B se escribe como dB B o L B , y el nivel de presión sonora ponderado C se escribe como dB C o L C . El nivel de presión sonora no ponderado se denomina "nivel de presión sonora lineal" y a menudo se escribe como dB L o simplemente L. Algunos instrumentos de medición de sonido utilizan la letra "Z" como indicación de SPL lineal. [13]

Distancia

La distancia entre el micrófono de medición y la fuente de sonido suele omitirse cuando se citan las mediciones de SPL, lo que hace que los datos sean inútiles debido al efecto inherente de la ley proporcional inversa. En el caso de las mediciones ambientales del ruido de "fondo", no es necesario citar la distancia, ya que no hay una única fuente presente, pero cuando se mide el nivel de ruido de un equipo específico, siempre se debe indicar la distancia. Una distancia de un metro (1 m) desde la fuente es una distancia estándar utilizada con frecuencia. Debido a los efectos del ruido reflejado dentro de una habitación cerrada, el uso de una cámara anecoica permite que el sonido sea comparable a las mediciones realizadas en un entorno de campo libre. [13]

Según la ley proporcional inversa, cuando se mide el nivel de sonido L p 1 a una distancia r 1 , el nivel de sonido L p 2 a la distancia r 2 es

Varias fuentes

La fórmula para la suma de los niveles de presión sonora de n fuentes radiantes incoherentes es

Insertando las fórmulas en la fórmula para la suma de los niveles de presión sonora se obtiene

Ejemplos de presión sonora

  1. ^ Todos los valores enumerados son la presión sonora efectiva a menos que se indique lo contrario.

Véase también

Referencias

  1. ^ "La presión sonora es la fuerza del sonido sobre una superficie perpendicular a la dirección del sonido" . Consultado el 22 de abril de 2015 .
  2. ^ ab Wolfe, J. "¿Qué es la impedancia acústica y por qué es importante?". Universidad de Nueva Gales del Sur, Departamento de Física, Acústica musical . Consultado el 1 de enero de 2014 .
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General

Enlaces externos